Modernización de Balanza Dinámica para Clasificación de Fruta Utilizando Sistemas Embebidos

Santiago Orellana, DataLights Cia. Ltda.

"La flexibilidad y poder de las herramientas de National Instruments permitieron utilizar la misma plataforma para el estudio de factibilidad, las pruebas de concepto, el desarrollo de la aplicación, el producto final y los mantenimientos."

- Santiago Orellana, DataLights Cia. Ltda.

The Challenge:

En una empresa exportadora de fruta, reemplazar el sistema de medición y control del sistema de clasificación basado en una balanza de pesaje dinámico de ocho canales manteniendo los componentes mecánicos, sensores y actuadores originales.

The Solution:

Utilizar LabVIEW en un sistema de control embebido CompactRIO con módulos de adquisición de datos analógicos para celdas de carga y además módulos digitales para levantar información de señales, realizar un análisis de factibilidad, desarrollar una prueba de concepto, e implementar la aplicación final, incrementando la precisión de la clasificación y agregando funcionalidad de diagnóstico y generación de reportes.

Author(s):

Santiago Orellana - DataLights Cia. Ltda.
Raúl Segarra E - DataLights Cia. Ltda.

 

Una compañía exportadora de fruta debe mantener la calidad de sus despachos mediante la correcta clasificación del producto, siendo el peso uno de los parámetros de clasificación más importante. Si una caja contiene frutas de pesos (y por lo tanto tamaños) fuera de un rango específico, podría no ser aceptada por el cliente generando pérdidas substanciales.

 

 

La máquina clasificadora existente consiste en ocho tolvas donde se deposita la fruta a ser clasificada. Cada tolva deposita una unidad de fruta en una canasta (o copa) individual que corre sobre una banda transportadora. La velocidad de circulación es de aproximadamente tres canastas por segundo en cada una de las ocho bandas. En cada banda existe una sección donde un sistema de pesaje basado en una celda de carga con amortiguamiento hidráulico detecta el peso de la canasta de manera dinámica. El sistema de instrumentación y control mide el peso de cada canasta con fruta y, tomando en cuenta su posición mediante dos codificadores de cuadratura, acciona en el momento adecuado uno de nueve diferentes relés que acciona un pistón ubicado más adelante en la banda, y que deposita la fruta en el canal de peso correspondiente, que finalmente la conduce a las cajas de despacho. En total se requiere medir ocho celdas de carga, accionar setenta y dos relés, y leer un codificador de cuadratura.

 

Esta máquina tiene más de quince años de fabricación, y aunque el sistema mecánico parecía funcionar correctamente, el sistema de medición y control basado en tarjetas electrónicas de circuitos integrados fallaba considerablemente, obteniéndose al final del proceso cajas con frutas de peso y tamaño muy desigual que serían rechazadas por el cliente final. Por ello se decidió modernizar el sistema de medición y control manteniendo los componentes mecánicos originales. 

 

 

Descripción de la Aplicación

La etapa de factibilidad del proyecto consistió en levantar información del funcionamiento de la máquina para diagnosticar el origen de los errores. Para ello se utilizó un sistema NI CompactDAQ y módulos de entradas analógicos y digitales para adquirir las señales de las celdas de carga, del codificador de cuadratura, y de las entradas digitales de los actuadores.

 

El primer paso consistió en adquirir los datos de las ocho celdas de carga a 25 mil muestras por segundo para disponer de una correcta representación de la señal. El primer problema que se presentó es el ruido. No solamente existía ruido electromagnético, sino que al estar la máquina en movimiento existía además ruido por vibración, lo que hacía imposible una lectura directa del peso. 

 

Otro problema es la calibración y diagnóstico de las celdas de carga. Si el sistema mecánico está mal alineado la señal presentará un fuerte salto al entrar la canasta con la fruta en la celda de carga. Además puede faltar aceite en el amortiguador de la celda, fallas de conexión, etc., lo que ocasionará señales con información incorrecta de peso.

 

En la Figura 1, en color negro se muestra una señal típica adquirida de una celda de carga al pasar la canasta con fruta por ella. Puede observarse el salto de voltaje al entrar la canasta en la celda de carga.

 

Con esta información, el segundo paso consistió en elegir la plataforma adecuada para el proyecto. Considerando que debían procesarse ocho señales de celdas de carga a alta velocidad, incluyendo posición, toma de decisiones complejas y generación de reportes se decidió utilizar sistemas embebidos por su flexibilidad, velocidad y poder de procesamiento. Se reutilizaron los mismos módulos de la serie C que se utilizaron para el levantamiento de información en la etapa de factibilidad.

 

El tercer paso consistió en realizar pruebas de concepto y experimentar con varios tipos de filtros (Chebvyschev, Bessel, Butterworth, Median) con diferentes parámetros (frecuencia de corte, número de polos) para obtener una medición de peso válida. Puesto que estos filtros se programan en FPGA no fue necesario construir tarjetas electrónicas, sino simplemente reconfigurar el código del programa. Además, los ocho filtros corren en paralelo sin afectar a la velocidad de ejecución y sin retraso de tiempo entre la adquisición de los datos y el procesamiento. Las señales de voltaje originales de las celdas de carga estaban grabadas en el disco duro del computador y fueron reproducidas por una tarjeta de salidas analógicas e ingresadas al sistema embebido cRIO, de modo que no fue necesario realizar las pruebas junto a la máquina sino en laboratorio. Esta tecnología permitió ahorrar una gran cantidad de tiempo de desarrollo, y costos de prototipos, traslados de personal, paradas y arranques de prueba, etc. 

 

En la Figura 1, en color rojo se muestra la señal filtrada en FPGA. Se observa claramente que existe presencia de peso entre los 1.7 y los 2 segundos aproximadamente (duración del pulso total de 0.3 segundos aproximadamente). La medición se realiza en la mitad de la meseta final, después del sobrepaso. Una combinación de estadística, límites y señal del codificador de cuadratura permite medir con precisión el peso.

 

 

Conclusión

La modernización del sistema de instrumentación y control permitió ahorrar una gran cantidad de dinero en repuestos y repotenciación, a la vez que se logró una precisión superior a la esperada.

 

En la versión final de la aplicación se logró una precisión de 1 por mil (5 g en un rango de 5 Kg), la cual es superior al desempeño original de la máquina. Adicionalmente se disponen de reportes personalizados, procesos de calibración, tara y diagnóstico que permiten agilitar el proceso de arranque, funcionamiento y generación de información. En la Figura 2 se muestra una captura de pantalla de la aplicación final.

 

La flexibilidad y poder de las herramientas de National Instruments permitieron utilizar la misma plataforma para el estudio de factibilidad, las pruebas de concepto, el desarrollo de la aplicación, el producto final y los mantenimientos.

 

En futuras ampliaciones se contempla la posibilidad de agregar el parámetro de clasificación de color utilizando visión artificial.

 

Author Information:

Santiago Orellana
DataLights Cia. Ltda.
Ecuador
Tel: (593) 7 288 2288
proyectos@datalights.com.ec

Figura 1: Señal original de la celda de carga (en negro) y filtrada en FPGA (en rojo)
Figura 2: Captura de pantalla de la aplicación final.